連拱隧道開挖圍巖壓力拱形態(tài)演化特征研究

鄧忠富

摘要：作為一種新式的隧道結(jié)構(gòu)，連拱隧道具有造價低、占用面積少的優(yōu)勢。但是連拱隧道由于受施工復(fù)雜、跨度大、受力復(fù)雜等眾多因素影響，導(dǎo)致在施工過程易出現(xiàn)坍塌、地表沉降等問題。因此，文章利用FLAC3D軟件建立了連拱隧道模型，研究分析在飽水和無水條件下，不同埋深隧道的圍巖壓力拱形態(tài)演化特征。研究結(jié)果表明：連拱隧道施工開挖時，在飽水條件下，隧道圍巖最小主應(yīng)力達(dá)到最大值時的垂直距離較無水條件下的垂直距離遠(yuǎn)，所形成的壓力拱高度較大;在開挖初期第2、第3步開挖步的進(jìn)行中，飽水條件下的應(yīng)變能熵值明顯增大，要及時對其進(jìn)行支護(hù)來確保施工過程中的圍巖穩(wěn)定性;隨著連拱隧道埋深的增加，隧道圍巖主應(yīng)力和拱頂整個區(qū)域圍巖應(yīng)變能熵有明顯放大趨勢;在飽水條件下隨著連拱隧道埋深增加，分步開挖而產(chǎn)生的圍巖壓力拱偏態(tài)效應(yīng)更加明顯。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;連拱隧道;壓力拱;圍巖壓力

中國分類號：U456.3文章標(biāo)識碼：A331285

0 引言

連拱隧道在施工過程常常出現(xiàn)掌子面坍塌、地表沉降等事故，對隧道自身結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境有嚴(yán)重危害。其中，關(guān)于連拱隧道開挖過程中的圍巖壓力拱形態(tài)演化特征，目前已有學(xué)者做了大量研究：李春柳[1]采用綜合研究方法，就連拱隧道圍巖的偏壓力拱的形成和變化規(guī)律進(jìn)行了分析;來弘鵬等[2]研究了某地區(qū)淺埋暗挖的連拱隧道圍巖壓力特征;鄭穎人等[3]提出在深埋和淺埋隧道施工過程中，圍巖是否能及時緊密接觸以及其支護(hù)條件會影響圍巖產(chǎn)生壓力的計算;張俊儒等[4]通過室內(nèi)試驗研究分析了不等跨的連拱隧道圍巖產(chǎn)生的壓力和受力特征;王永光[5]以實際工程為背景，結(jié)合理論和數(shù)值方法對公路隧道的環(huán)境影響和巖壓拱的形成機(jī)理及形態(tài)演化特征進(jìn)行了研究和分析;朱正國[6]通過室內(nèi)模型試驗研究發(fā)現(xiàn)隧道頂部圍巖壓力均大于拱頂處圍巖壓力這一現(xiàn)象;鄭國江等[7]針對軟巖地區(qū)的連拱隧道進(jìn)行了試驗研究;張旭等[8]通過模型試驗發(fā)現(xiàn)連拱隧道中墻墻角部位的彎矩最大，墻角外表面會產(chǎn)生裂縫;艾心熒[9]采用ABAQUS軟件建立有限元模型，分析隧道相對位置對連拱隧道開挖引起的地表沉降的影響;杜曉麗等[10]通過將數(shù)值結(jié)果和實驗結(jié)果對比的方式研究分析了施工過程中的圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律;陶春勝[11]以浙江溫州某隧道為工程背景，同樣利用了數(shù)值與實測對比的方式研究分析了施工過程中連拱隧道圍巖產(chǎn)生的位移和應(yīng)力變化特征。

綜上可知，以往學(xué)者的研究得出了許多有益結(jié)論，可用于指導(dǎo)連拱隧道的設(shè)計。為了進(jìn)一步研究連拱隧道分步開挖過程中的圍巖壓力拱形態(tài)演化特征，本文將采用FLAC3D有限元分析軟件，就開挖過程中連拱隧道的圍巖壓力拱變化規(guī)律進(jìn)行分析研究。

1 有限元模型的建立

1.1 數(shù)值模型和計算參數(shù)

本節(jié)利用FLAC3D進(jìn)行分析建模，如圖1所示，模型尺寸為寬度125 m×高度140 m×厚度1.5 m。其中，流體的流動符合達(dá)西定律和比奧方程，使用有限差分法進(jìn)行計算，求解連拱隧道開挖時的流固耦合的平面應(yīng)變問題，從而分析圍巖壓力拱的形態(tài)演化特征規(guī)律。該模型的底部采用完全固定邊界，兩側(cè)限制x方向位移，整體模型限制y方向位移。在模型中測線位置布置應(yīng)力監(jiān)測點以便記錄圍巖主應(yīng)力隨隧道開挖過程的變化。同時設(shè)置了位移監(jiān)測點以及應(yīng)變能熵監(jiān)測區(qū)，用于分析應(yīng)變能熵變化規(guī)律。

1.2 模型分析方案

為了研究圍巖性質(zhì)、埋深、施工順序等各因素之間的相互影響，在圍巖的剛度、強(qiáng)度以及開挖方式不變的情況下，分別考慮連拱隧道不同的埋深、飽水和無水條件等因素對流固耦合作用下連拱隧道分步開挖圍巖壓力拱形態(tài)演化特征的影響。詳細(xì)的數(shù)值計算工況如表 1所示。

[JZ][HT9.H]表1 數(shù)值計算工況表

[HT6][HJ1mm][BG（][BHDFG5mm，WK25mm，WKW]

計算工況[]變化因素和不變因素[BHD]

2 結(jié)果分析

2.1 水環(huán)境影響分析

2.1.1 壓力拱邊界

壓力拱拱體內(nèi)外邊界的判定，以拱體內(nèi)部最小主應(yīng)力減小、最大主應(yīng)力增大為依據(jù)，以圍巖最小主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)的地方對應(yīng)壓力拱的外邊界，在該邊界內(nèi)均為隧洞圍巖壓力拱范圍，以圍巖壓力拱外邊界到隧道的開挖面之間的距離稱之為隧道壓力拱高度[12]。本文以開挖后左側(cè)隧道拱頂上方65 m垂直距離的測線結(jié)果為例，分析測線上的圍巖主應(yīng)力變化規(guī)律。如圖2所示，在圖2（a）飽水條件下，距離左側(cè)隧道拱頂垂直距離大約15.08 m處，隧道圍巖最小主應(yīng)力達(dá)到最大值;在圖2（b）無水條件下，距離左側(cè)隧道拱頂垂直距離大約10.64 m處，隧道圍巖最小主應(yīng)力達(dá)到最大值?？梢缘贸觯涸陲査畻l件下，隧道圍巖最小主應(yīng)力達(dá)到最大值時的垂直距離較無水條件下的垂直距離遠(yuǎn)，所形成的壓力拱高度較大。

2.1.2 壓力拱形態(tài)特征

圍巖壓力拱高度是壓力拱形態(tài)特征表征之一，反映了開挖過程中圍巖壓力成拱的整體范圍，受水土耦合共同作用影響，不同水環(huán)境和隧道開挖埋深的作用都會影響開挖過程中壓力拱形態(tài)的變化。本文選取隧道不同位置和方位的測線監(jiān)測點結(jié)果，分析連拱隧道圍巖壓力拱形態(tài)特征演化規(guī)律。如下頁圖3所示，選取左側(cè)隧道拱頂上方垂直距離方向為測線監(jiān)測點，該測線監(jiān)測點內(nèi)，在無水條件下連拱隧道圍巖壓力拱高度整體小于飽水條件下的圍巖壓力拱高度。這是由于地下水的流固耦合作用減小了圍巖自我穩(wěn)固的能力。因此，參與成拱的圍巖范圍增大使得形成的圍巖壓力拱高度進(jìn)一步增大。

2.1.3 圍巖應(yīng)變能熵

隧道圍巖應(yīng)變力隨著開挖步的進(jìn)行不斷變化，應(yīng)變能熵的計算采用R-O本構(gòu)模型。本文記錄了在開挖過程中連拱隧道拱頂上方監(jiān)測區(qū)域應(yīng)變能熵的變化情況，并就無水和飽水條件下的應(yīng)變能熵變化規(guī)律進(jìn)行了對比。如圖4所示，連拱隧道拱頂左右測線圍巖應(yīng)變能熵值隨著隧道開挖的逐步進(jìn)行而減小。相比于無水條件，受到地下水滲流場的影響，飽水條件下的連拱隧道拱頂左右測線圍巖應(yīng)變能熵會略有改變。為了更明確地分析地下水的作用，本節(jié)還繪制了連拱隧道拱頂整個區(qū)域在無水和飽水條件下的圍巖應(yīng)變能熵對比圖。由圖5可知，在隧道開挖前無水和飽水條件下的應(yīng)變能熵是一致的。隨著開挖的逐步進(jìn)行，尤其是在開挖初期第2、第3步開挖步的進(jìn)行，無水條件下的應(yīng)變能熵值明顯要低于飽水情況。不難得知，飽水情況下的圍巖穩(wěn)定性受地下水作用減弱了。因此，在連拱隧道施工開挖初期要及時關(guān)注滲流場的作用，對其進(jìn)行支護(hù)，保證圍巖的穩(wěn)定性。

2.2 飽水條件下隧道埋深影響分析

為了進(jìn)一步分析隧道不同埋深對連拱隧道開挖過程中圍巖壓力拱變化特征的影響，本文就Ⅲ級圍巖在2.5D、4D 和6D三種不同隧道埋深下的變化進(jìn)行分析。

2.2.1 壓力拱形態(tài)特征

選取左側(cè)隧道拱頂上方65 m垂直距離的測線結(jié)果為例進(jìn)行分析。在數(shù)值模型中，考慮三種不同的埋深，同時保證側(cè)壓力系數(shù)均為 1.0。圖6為隧道拱頂圍巖最大主應(yīng)力隨著測點到開挖工作面距離的變化曲線圖。由圖可知：隨著測點與隧道拱頂?shù)木嚯x增加，圍巖主應(yīng)力逐步減小;隧道埋深為2.5D時產(chǎn)生的圍巖主應(yīng)力值最小，最小值為0.08 MPa;隧道埋深為6D時的最大主應(yīng)力最大，其最大值約為3.11 MPa。因此，隨著連拱隧道的埋深進(jìn)一步增加，隧道拱頂圍巖主應(yīng)力有明顯增大趨勢。

在飽水條件下，選取連拱隧道左側(cè)上述測線結(jié)果來研究分析三種埋深對圍巖壓力拱厚度的影響。如圖7所示，距離隧道拱腳越近，隧道圍巖壓力拱高度越大，并隨著隧道埋深的增加而增加。左側(cè)隧道埋深為6D時的圍巖壓力拱高度較埋深為2.5D時增大了62.3%。因此，隨著埋深的增大，左側(cè)隧道圍巖壓力拱高度增大效應(yīng)更明顯?？梢姡陲査畻l件下隨著連拱隧道埋深增加，分步開挖而產(chǎn)生的圍巖壓力拱偏態(tài)效應(yīng)更加明顯。

2.2.2 圍巖應(yīng)變能熵

本文分析了在開挖過程中不同埋深的連拱隧道拱頂圍巖應(yīng)變能熵值的變化。如圖8所示，隨著進(jìn)一步開挖，連拱隧道整個監(jiān)測區(qū)域的應(yīng)變能熵值呈現(xiàn)減小的趨勢。不難發(fā)現(xiàn)，開挖進(jìn)行到第2、第3步之間以及第4、第5步之間時，不同埋深下的應(yīng)變能熵值變化均區(qū)域平穩(wěn);開挖進(jìn)行到第1、第2步之間以及第3、第4步之間時，應(yīng)變能熵值的變化呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，在整個開挖階段，圍巖應(yīng)變能熵減小主要發(fā)生在這兩個開挖步數(shù)之間;開挖到第5步時，埋深2.5D的圍巖應(yīng)變熵值最小。圖9為左側(cè)隧道拱頂監(jiān)測區(qū)的應(yīng)變能熵值結(jié)果圖?？梢钥闯觯陲査畻l件下，分步開挖連拱隧道時其頂部監(jiān)測區(qū)域的圍巖應(yīng)變能熵呈下降趨勢。在三種不同的埋深條件下，2.5D埋深的工況圍巖應(yīng)變能熵值最低，4D埋深6D埋深的工況圍巖應(yīng)變能熵值相差不大，但均較2.5D埋深有明顯增加。因此，隨著隧道埋深增加，應(yīng)變能熵的數(shù)值呈現(xiàn)逐漸變大趨勢。

3 結(jié)語

本文利用FLAC3D建立了連拱隧道模型，考慮了無水和飽水條件以及不同隧道埋深等數(shù)值工況，研究分析了在隧道施工過程中連拱隧道圍巖壓力的變化規(guī)律。得到了以下結(jié)論：

（1）在飽水條件下，隧道圍巖最小主應(yīng)力達(dá)到最大值時的垂直距離較無水條件下的垂直距離遠(yuǎn)，即飽水條件下隧道圍巖所形成的壓力拱高度較無水時大。

（2）在開挖初期第2、第3開挖步的進(jìn)行中，無水條件下的應(yīng)變能熵值明顯要低于飽水情況。因此，在連拱隧道施工開挖初期要及時對其進(jìn)行支護(hù)來確保施工過程中的圍巖穩(wěn)定性。

（3）隨著連拱隧道埋深的增加，隧道圍巖主應(yīng)力有明顯增大趨勢。隧道埋深為6D時的最大主應(yīng)力值可達(dá)到3.11 MPa。

（4）在飽水條件下，左側(cè)隧道埋深為6D時的圍巖壓力拱高度較埋深為2.5D時增大了62.3%。因此，在飽水條件下隨著連拱隧道埋深增加，分步開挖而產(chǎn)生的圍巖壓力拱偏態(tài)效應(yīng)更加明顯。

（5）隨著連拱隧道埋深增加，連拱隧道拱頂整個區(qū)域圍巖應(yīng)變能熵的數(shù)值呈現(xiàn)放大趨勢。

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